(57)【要約】  広いエリアで高精度にノード位置を測位することを目的とする。位置測定信号を送信する機能を備えるノードと、複数の基準局と、複数の基地局と、測位サーバと、を有する無線通信システムにおいて、基準局は、位置測定信号を受信した後に基準信号を送信する。基地局は、全ての受信信号に対して連続して受信する2の信号の間隔を測定する。測位サーバは、ノードの位置測定時に、受信した信号の中から2つの基地局に共通して受信された基準信号を探し、ノードからの信号とその基準信号との間隔を求める。さらに、その間隔についてそれぞれの基地局のクロック周波数偏差に対する補正を行うことで2つの基地局間での信号受信時刻の差を算出し、その算出結果を用いてノードの位置を計算する。
2011013220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線端末と、複数の基準局と、複数の基地局と、ネットワークを介して上記複数の基地局と接続される測位サーバとを有する測位システムであって、
上記無線端末は、無線信号を生成する信号生成部と、上記無線信号を送信する無線信号送信部と、を有し、
上記複数の基準局それぞれは、基準信号を生成する基準信号生成部と、上記無線信号を受信すると上記基準信号を送信する基準信号送信部と、を有し、
上記複数の基地局それぞれは、上記無線信号及び上記基準信号を受信する信号受信部と、上記受信した無線信号及び上記基準信号の中で連続する２の信号の受信時刻差を測定する時間差計測部と、上記受信時刻差を含む測位情報を上記測位サーバに送信する信号送信部と、を有し、
上記測位サーバは、上記測位情報に基づいて上記複数の基地局が受信した複数の基準信号から同一の基準局が送信した基準信号を抽出する基準信号抽出部と、上記複数の基地局それぞれにおける上記無線信号と上記抽出した基準信号との受信時刻差を計測する受信時刻計測部と、上記受信時刻差に対して上記無線端末及び上記複数の基地局それぞれのクロック周波数偏差に基づく補正を行う補正部と、上記補正を行った上記受信時刻差と上記複数の基地局及び上記基準局の位置情報を用いて上記無線端末の位置を測定する位置測定部と、を有する測位システム。
【請求項２】
請求項１に記載の測位システムにおいて、
上記基準局が上記無線信号を受信する前に他の上記基準局から上記基準信号を受信したとき、上記基準信号送信部は、上記基準信号を送信することなく、上記無線信号の受信時刻と上記基準信号の受信時刻を上記測位サーバに送信する測位システム。
【請求項３】
請求項２に記載の測位システムにおいて、
上記基準局が上記他の基準局から上記基準信号を受信する前に上記無線信号を受信したとき、上記基準信号送信部は上記基準信号を送信し、当該基準信号の送信時刻と上記無線信号の受信時刻を上記測位サーバに送信する測位システム。
【請求項４】
請求項１に記載の測位システムにおいて、
上記時間差計測部は、上記連続する２の信号を第１の信号及び第２の信号としたとき、上記第１の信号のパケットのプリアンブル終了からパケット終了までの間に、上記基地局と上記第１の信号を送信した端末とのクロック周波数の差分を測定し、上記第１の信号のパケット終了から上記第２の信号のプリアンブル終了までの間隔を測定することを繰り返す測位システム。
【請求項５】
請求項１に記載の測位システムにおいて、
上記周波数偏差補正部は、上記無線端末のクロック周波数偏差を用いることで、上記無線端末から信号を受信した全ての基地局の測定結果に対して共通のクロックを基準とした補正を行う測位システム。
【請求項６】
無線端末と、複数の基準局と、複数の基地局と、ネットワークを介して上記複数の基地局と接続される測位サーバとを有する測位システムで実現される測位方法であって、
上記無線端末は、無線信号を生成して送信し、
上記複数の基準局それぞれは、基準信号を生成し、上記無線信号を受信すると上記基準信号を送信し、
上記複数の基地局それぞれは、上記無線信号及び上記基準信号を受信すると、上記無線信号及び上記基準信号の中で連続する２の信号の受信時刻差を測定し、上記受信時刻差を含む測位情報を上記測位サーバに送信し、
上記測位サーバは、上記測位情報に基づいて上記複数の基地局が受信した複数の基準信号から同一の基準局が送信した基準信号を抽出し、上記複数の基地局それぞれにおける上記無線信号と上記抽出した基準信号との受信時刻差を計測し、上記受信時刻差に対して上記無線端末及び上記複数の基地局それぞれのクロック周波数偏差に基づく補正を行い、上記補正を行った上記受信時刻差と上記複数の基地局及び上記基準局の位置情報を用いて上記無線端末の位置を測定する測位方法。
【請求項７】
請求項６に記載の測位方法において、
上記基準局が上記無線信号を受信する前に他の上記基準局から上記基準信号を受信したときは、上記基準信号を送信することなく、上記無線信号の受信時刻と上記基準信号の受信時刻を上記測位サーバに送信する測位方法。
【請求項８】
請求項６に記載の測位方法において、
上記基地局は、上記無線信号を受信すると上記基準信号を送信し、上記無線信号の受信時刻と上記基準信号の送信時刻との差を上記測位サーバに送信する測位方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線送信機能を持つノード（端末）の位置を測定する方法、その方法を用いた位置測定システム、及び、そのシステムにおいて無線基地局として使用される基地局（ＡＰ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の代表的なノード位置測定方法としては、ＧＰＳ等の衛星からの信号を用いて位置を測定する方法がある。【０００３】
また、他のノード位置測定方法としては、複数の基地局から送信された信号をノードが受信し、その受信時刻の差から、ノードの位置を算出する方法がある。【０００４】
具体的には、セルラ電話システムにおいて、基地局からノードに送信される信号の受信時間差（各基地局からノードまでの信号の伝搬時間差Ｔ1−Ｔ2及びＴ3−Ｔ2）を計算し、伝搬時間差に光速cを乗算することによって、ノードから各基地局までの信号の伝搬距離の差
Ｄ1−Ｄ2＝ｃ（Ｔ1−Ｔ2）及びＤ3−Ｄ2＝ｃ（Ｔ3−Ｔ2）
を算出し、ノードの位置を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００５】
また、無線ＬＡＮシステムにおいて、ノードから送信される信号を基地局で受信した時間差（各基地局の受信時間の差Ｔi−Ｔ1）を計算し、受信時間差に光速を乗算することによって、ノードから各基地局までの信号の伝搬距離の差｛｜Ｐ−Ｐi｜−｜Ｐ−Ｐ1｜｝＝ｃ（Ｔi−Ｔ1），i＝2,...,nを算出し、ノードの位置を検出する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。【０００６】
また、特許文献2には基準局を用いることで基地局間の同期なしにTDOAを実現する方法が示されている。【０００７】
特許文献２では、図１のように示す測位システムにおいて、２つの基地局A（１２０A）及び基地局B（１２０B）の受信時刻の差を測定する場合について説明している。まず、ノード１００が測位信号Ｓ１０１を送信する。基地局A及び基地局Bは、ノード１００が送信した測位信号Ｓ１０１の受信時刻Ｔａ１及びＴｂ１をそれぞれ測定する。【０００８】
一方、基準局１１０aは、通常状態ではノード１００が送信した測位信号Ｓ１０１を監視しており、測位信号S１０１を受信可能な待ち受け状態にある。基準局１１０aは、ノード１００が送信した測位信号Ｓ１０１を受信すると、基地局A及び基地局Bに共通の基準時刻を設定するため、基地局A及び基地局Bに基準信号Ｓ１１１aを送信する。そして、基地局A及び基地局Bは、それぞれ基準信号Ｓ１１１aの受信時刻Ｔａ２及びＴｂ２を測定する。測定された基準信号Ｓ１１１aの受信時刻Ｔａ２及びＴｂ２は、ネットワーク１４０を経由して位置計算サーバ１３０に送信される。【０００９】
位置計算サーバ１３０は、既知である基地局A及び基地局Bと基準局１１０aとの間の距離の情報を用いて（基地局と基準局との間の距離を光速で除して）、基準局１１０aから基地局A及び基地局Bまでの信号伝搬遅延時間Ｔａ３及びＴｂ３を算出する。その後、時刻Ｔａ２から時間Ｔａ３を減じた時刻Ｔａ４（＝Ｔａ２−Ｔａ３）、及び時刻Ｔｂ２から時間Ｔｂ３を減じた時刻Ｔｂ４（＝Ｔｂ２−Ｔｂ３）を算出する。この時刻Ｔａ４及びＴｂ４（時刻Ｔａ２及びＴｂ２からそれぞれ時間Ｔａ３及びＴｂ３だけ遡った時刻）が、基準局１２０が基準信号を送信した時刻となる。時刻Ｔａ４とＴｂ４とは同時刻となるため、このＴａ４及びＴｂ４を基準として基地局Aと基地局Bの時刻を同期させることができる。【００１０】
位置計算サーバ１３０は、時刻Ｔａ４及びＴｂ４を基準として、測位信号受信時刻Ｔａ１とＴｂ１との差（Ｔａ４−Ｔａ１、Ｔｂ４−Ｔｂ１）を求め、この差と基地局A及び基地局Bの座標とを用いてノード１００の位置を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−１８１２４２号公報
【特許文献２】特開２００５−１４０６１７号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】荻野敦、他５名、「無線ＬＡＮ統合アクセスシステム（１）  位置検出システムの検討」、２００３年総合大会講演論文集、電子情報通信学会、Ｂ−５−２０３、ｐ．６６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ノード保持者の位置に応じた情報提供などの測位に関するアプリケーションではサービス提供エリアの広さと測位精度が重要な要因となるため、広いエリアに対する正確な測位ができるシステムが求められている。【００１４】
GPSや携帯電話の信号を用いたTDOA測位システムでは基本的に広範囲なエリアをカバーしている衛生や携帯電話インフラを利用しているため測位可能エリアに関する制約は少ないが、衛星や携帯電話基地局（AP）間の同期が不可欠であり、また同期精度が測位精度に大きな影響を与える。このため非常に高精度なクロックや内蔵時計を使用したり、頻繁にシステム間の同期を更新したりする必要が生じ、コストや運用の面で課題となった。【００１５】
一方で特許文献２に示される基準局を用いたTDOA方式では正確な同期が可能だが、独自のシステムをサービス提供エリア内に構築しなければならない。このとき従来のシステムでは、基地局は2つの信号の間隔のみ測定することを前提として、1つの基地局に複数の基準局から基準信号が送られたときにも最初に到達した基準信号のみしか測位に活用できなかった。例えば基地局Aと基地局Bがそれぞれ違う基準局からの基準信号を受信した場合、この２つの基地局の信号受信時間差を求めることができなかった。このため測位対象ノードからの信号に連続して同じ基準局からの信号が3つ以上の基地局に受信されれば測位できるが、広いエリアに複数の基準局が設置されている状況下で2つの信号の間に別の基準局からの信号が1つでも受信された基地局があると測位ができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。【００１７】
無線端末と、複数の基準局と、複数の基地局と、ネットワークを介して複数の基地局と接続される測位サーバとを有する測位システムである。無線端末は、無線信号を生成する信号生成部と、無線信号を送信する無線信号送信部とを有する。複数の基準局それぞれは、基準信号を生成する基準信号生成部と、無線信号を受信すると基準信号を送信する基準信号送信部とを有する。複数の基地局それぞれは、無線信号及び基準信号を受信する信号受信部と、受信した無線信号及び基準信号の中で連続する２の信号の受信時刻差を測定する時間差計測部と、受信時刻差を含む測位情報を測位サーバに送信する信号送信部とを有する。測位サーバは、測位情報に基づいて複数の基地局が受信した複数の基準信号から同一の基準局が送信した基準信号を抽出する基準信号抽出部と、複数の基地局それぞれにおける無線信号と抽出した基準信号との受信時刻差を計測する受信時刻計測部と、受信時刻差に対して無線端末及び複数の基地局それぞれのクロック周波数偏差に基づく補正を行う補正部と、補正を行った受信時刻差と複数の基地局及び基準局の位置情報を用いて無線端末の位置を測定する位置測定部とを有する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、測位可能な範囲が広い測位システムを容易に構築し、高い測位精度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施例に係る測位システムの構成例を示す図である。
【図２Ａ】第１の実施例のノード（ＮＯＤ）の構成例を示すブロック図である。
【図２Ｂ】第１の実施例の基準局（ＲＳ）の構成例を示すブロック図である。
【図２Ｃ】第１の実施例の基地局（ＡＰ）の構成例を示すブロック図である。
【図２Ｄ】第１の実施例の測位サーバの構成例を示すブロック図である。
【図３】第１の実施例の測位システムにおける信号の送受信の概要を示すシーケンス図である。
【図４】第１の実施例に係る受信装置の回路ブロック図の例である。
【図５】第１の実施例に係る受信装置の時間差計測機能を持つベースバンド部の構成を示す回路ブロック図の例である。
【図６】図５の時間差計測部の構成を示す回路ブロック図の例である。
【図７】第１の実施例に係る測位システムの原理を説明する図の例である。
【図８】第１の実施例に係るノードから送信される測位信号および基準局から送信される基準信号の構成図の例である。
【図９】第１の実施例に係る同期捕捉方法を説明する図の例である。
【図１０】第１の実施例に係る同期追跡方法を説明する図の例である。
【図１１】第１の実施例に係る時間差計測の方法を説明する図の例である。
【図１２】第１の実施例に係る時間差計測の測定項目を説明する図の例である。
【図１３】第１の実施例に係る信号受信時間差の算出方法を説明する図の例である。
【図１４】第１の実施例の偏差計測の方法を説明する図の例である。
【図１５】第１の実施例に係る測位計算処理の流れを説明する図の例である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２０】
本発明の第１の実施例に係る受信装置及びそれを用いた測位システムに関して、図１ないし図１５で説明する。まず、実施例１のシステムの構成及び動作の概要について、図１ないし図３で説明する。【００２１】
図１は、本発明の実施例１に係る測位システムの構成である。測位システムは、測位信号を送信する（被測位対象である）複数のノード（ＮＯＤ）１００(１００ａ，１００ｂ，…)、基準信号を送信する基準局（ＲＳ）１１０(１１０ａ，１１０ｂ，…)、測位信号および基準信号を受信する複数の基地局（ＡＰ）１２０(１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ)、測位サーバ（ＰＳ）１３０、各基地局１２０および測位サーバ１３０をつなぐネットワーク（ＩＮＴ）１４０、から構成される。なお、参照符号の添え字ａ，ｂ，ｃは、同じ構成要素であることを示し、添え字を省略する場合は、その同一構成要素を指すものとする。また、ＮＯＤ、ＲＳ、ＡＰ及びＰＳは、いずれも送受信の機能を備えているが、ここでは説明を簡単にするために、本発明の実施例に関して必要な送受信機能を主体にして説明する。【００２２】
実施例１のシステムを構成する各要素の構成例の概要を図２（図２Ａ〜図２Ｄ)で説明する。図２Ａは、ノード（ＮＯＤ）１００の構成例を示すブロック図である。各ノードは、信号送信制御部１０１、信号作成部１０２及びアンテナ１０３を備えている。信号送信制御部１０１は、ノード自体に内蔵又は接続されているセンサやタイマからの情報等に基づいて、そのノードが信号送信制御部１０１からの命令を受けて測位信号Ｓ１０１を作成し、アンテナ１０３から送信する。【００２３】
図２Ｂは、基準局（ＲＳ）１１０の構成例を示すブロック図である。基準局は、ベースバンド部（ＢＢＭ）１１１、アナログデジタル変換部（以下「Ａ／Ｄ変換部」と略称する）（ＡＤＭ）１１２、ＲＦフロントエンド部（ＲＦＦ）１１３、送信受信切り替えスイッチ（ＳＷＴ）１１５、アンテナ（ＡＮＴ）１１７、信号送受信制御部１１８、送信信号生成部１１９から構成される。ＡＤＭ１１２及びＲＦＦ１１３は、同期をとるべきクロック信号の発生源としてＳＣＧ１１４やＣＬＫ１１６を有している。基準局は、ノード１００が送信した測位信号Ｓ１０１を受信を契機として送信信号生成部１１９で作成された基準信号Ｓ１１１を送信する機能を備えている。【００２４】
また基準局１１０は、測位信号S101受信から基準信号S110送信までの間に基準局毎に個別の遅延を加えてもよい。基準局個別の遅延時間の決定方法としては各基準局１１０にあらかじめ固定された遅延量を設定しておく方法がある。また、受信したノード１００からの測位信号S101の強さに反比例して遅延時間を決めても良い。これによりノード１００からの距離が近く信号が強い強度で送られていれば基準局１１０はすぐに基準信号S101を送信し、ノード１００が基準局１１０から遠ければ大きめの遅延の後に基準信号S110を送信することができる。【００２５】
また、基準局１１０は後述する基地局１２０としての機能を有し、ノード１００からの信号を受信したときのみ基準信号S110を送信し、ノードからの信号を受信する前に、他の基準局１１０からの基準信号S110を受信した場合は、自らは基準信号を送信せずに、測定した信号受信間隔をサーバ１３０に報告してもよい。基準局１２０が、ノードからの信号を受信して基準信号S110を送信したときは基準信号の受信時刻の代わりに自らが基準信号S110を送信した時刻をサーバ１３０に送る。このように、基準局が基地局の機能を有することにより、システム構成のコストを低減することができる。【００２６】
図２Ｃは、基地局（ＡＰ）１２０の構成例を示すブロック図である。基地局は、ベースバンド部（ＢＢＭ）１２１、アナログデジタル変換部（ＡＤＭ）１２５、ＲＦフロントエンド部（ＲＦＦ）１２７及びアンテナ（ＡＮＴ）１２９から構成される。ＡＤＭ１２５及びＲＦＦ１２７は、同期をとるべきクロック信号の発生源ＳＣＧ１２６、ＣＬＫ１２８を有している。ベースバンド部１２１は、受信した信号に含まれる送信局を特定可能な情報に基づいて、該信号を送信したノード又は基準局を特定する機能を備えている。ベースバンド部１２１は、さらに、ＳＣＧで生成されたクロック信号の位相を変化させるシフト信号を生成してクロック信号の位相を変化させ伝送信号とクロック信号との同期捕捉を行う同期捕捉部（ＴＲＰＭ）１２２、クロック信号およびシフト信号とを用いて測位信号と基準信号のペイロード長と、信号受信完了から次の信号のＳＦＤ検出までの時間差を計測する時間差計測部（ＴＤＭＭ）１２３も備えている。【００２７】
なお、図２Ｂに示すように、基準局（ＲＳ）１１０を構成する通信装置にも、基地局（ＡＰ）１２０と同様に、同期捕捉部（ＴＲＰＭ）や時間差計測部（ＴＤＭＭ）を備えるようにしても良い。また、基地局（ＡＰ）１２０にも、基準局（ＲＳ）１１０と同様な送信機能を持たせても良い。すなわち、基地局はノードから位置測位信号を受信すると基準信号を送信する機能を有してもよい。さらに、基準信号を送信した場合には、位置測位信号の受信時刻と基準信号の送信時刻との差を測位サーバに送信する。測位サーバは、その差を基地局における測位信号の受信時刻と基準信号の受信時刻の受信時刻差としてノードの位置測位に用いることができる。【００２８】
図２Ｄは、測位サーバ１３０（ＰＳ）の構成例を示すブロック図である。測位サーバは、通信部１３１、測位・測距部１３２の各機能及びシステム情報データベース１３３を備えている。通信部１３１は、測位サーバをネットワーク１４０に接続するインターフェースとして機能し、基地局から送られる測位情報通知を受けて、測位・測距部１３２に送る。測位・測距部１３２は、測位情報通知に含まれる各基地局における信号受信時刻差の情報及びシステム情報データベース１３３から得た各基地局及び基準局の位置等の情報に基づいて、ＴＤＯＡ方式によりノード１００の位置を算出する。【００２９】
図３は、第１の実施例の測位システムにおける信号の送受信の概要を示すシーケンス図である。【００３０】
ノード１００は、任意の時刻、例えば、定期的に、又は、ノードに設けられたセンサが異常を検出したときに、周辺の基準局１１０と基地局１２０に対して測位信号Ｓ１０１を含む伝送信号を送信する。この測位信号を受けた基準局１1０は周囲の基地局１２０に対して基準信号Ｓ１１１を含む伝送信号を送信する。【００３１】
このとき、例えば基地局ＡＰｂは基準局ＲＳａの信号が届かない位置に設置されていた場合、基地局ＡＰａはノード、基準局ＲＳａ、基準局ＲＳｂからの信号３つを受信するのに対し、基地局ＡＰｂはノードと基準局ＲＳｂからの信号の2つのみを受信する。【００３２】
各基地局は、測位情報、例えば測位信号の受信時刻とそれ以降に連続して受信された基準信号の受信時刻について、連続して受信された2つの信号間の信号受信時間差、信号受信時間差を求めるためのサンプリングクロック周期、タイミングシフト時間、サンプリングクロックのカウント数、サンプリングタイミング制御信号のカウント数、及び信号送信元の識別子や基地局の識別子その他の情報を測位情報Ｓ１５０として、ネットワークを経由してサーバ１３０に送付する。【００３３】
ここで、各基地局１２０は、信号を受信した際、この信号、例えば測位信号とサンプリングクロックとの同期捕捉を行う。同期捕捉が確立された後、伝送信号の復調・同期追跡を行う。各基地局は、同期捕捉、復調・同期追跡などの伝送信号の受信処理と並行して、連続して受信された2つの信号の受信時間差とそれぞれの信号のペイロード長の計測処理を行い、その結果に基づく測位情報Ｓ１５０をサーバ１３０に送付する。【００３４】
サーバ１３０は、この測位情報S１５０と、サーバが持つデータベースに記録されている情報とから、ノード１００の座標を算出して測位を行う。【００３５】
次に、実施例１のシステムの具体的な構成、動作原理、作用及び効果について、図４ないし図１５で説明する。【００３６】
まず、本発明に係る基地局１２０における受信装置は、例えば図４に示すような、間欠的なインパルス列を受信するＵＷＢ−ＩＲ受信装置で構成される。【００３７】
空間を隔てて別個に存在する送信装置において、例えば、ＢＰＳＫ変調（ＢｉｎａｒｙＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ：２値のデジタル位相変調）および直接拡散されたパルス列を空間に送信し、本受信装置のアンテナで、空間を伝搬してきたパルス列信号を受信する。空間を伝搬する信号は、例えば、幅が約２ｎｓのパルスが、間隔約３０ｎｓで送信されるインパルス列である。インパルスの形状は例えば１次ガウシアン波形となっており、さらに約４ＧＨｚの搬送波によりアップコンバートされた波形が用いられる。【００３８】
受信装置は、アンテナ（ＡＮＴ）４１０、ＲＦフロントエンド部（ＲＦＦ）４２０、アナログデジタル変換部（以下「Ａ／Ｄ変換部」と略称する）（ＡＤＭ）４３０、ベースバンド部（ＢＢＭ）４４０から構成される。【００３９】
ＲＦフロントエンド部４２０は、ローノイズアンプ（ＬＮＡ）４２１、ミキサ（ＭＩＸ）４２２ｉ，４２２ｑ、π／２位相シフタ（ＱＰＳ）４２３、クロック発生器（ＣＬＫ）４２４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４２５ｉ，４２５ｑ、及び可変ゲインアンプ（ＶＧＡ）４２６ｉ，４２６ｑから構成される。【００４０】
なお、添え字ｉ，ｑは、それぞれＩ信号成分（同相信号：InPhase）、Ｑ信号成分（直交信号：Quadrature）用を示しており、以下の説明では、特に必要でない限りｉ，ｑの添え字は省略する。【００４１】
アンテナ４１０から受信されたパルス信号（間欠的なパルス列）はローノイズアンプ４２１で増幅された後、ミキサ４２２に与えられる。ミキサ４２２にはクロック発生器４２４が生成する約４ＧＨｚのクロック信号が与えられ、その結果ミキサ４２２の出力は４ＧＨｚ帯の搬送波と、パルス幅が約２ｎｓのガウシアン波形のインパルス信号とに分離される。この時、ミキサ４２２ｉにはクロック発生器４２４の出力信号が直接与えられて同相の出力信号であるＩ信号が出力される。一方、ミキサ４２２ｑには、クロック発生器４２４のクロック信号がπ／２位相シフタ（ＱＰＳ）４２３を経て位相がπ／２遅延されたクロック信号が供給されるため、出力信号は直交成分であるＱ信号となる。【００４２】
ミキサ４２２で分離された信号は、ローパスフィルタ４２５で弁別され、周波数の高い４ＧＨｚの搬送波は遮断される。従って、ガウシアンのインパルス波形だけがローパスフィルタ４２５から出力される。これらインパルス信号は、可変ゲインアンプ４２６で増幅され、ＲＦフロントエンド部４２０からそれぞれＩ信号Ｓ４２７ｉ、Ｑ信号Ｓ４２７ｑとして出力される。【００４３】
Ａ／Ｄ変換部４３０は、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）４３１とサンプリングクロック生成部（ＳＣＧ）４３３から構成され、ＲＦフロントエンド部の出力信号であるＩ信号Ｓ４２７ｉとＱ信号Ｓ４２７ｑのガウシアン波形インパルス信号が入力され、Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣ４３１によりデジタル信号に変換され出力される。【００４４】
入力信号Ｓ４２７ｉ，Ｓ４２７ｑはそれぞれ複数に分割されて、内部の個々のＡ／Ｄ変換器４３１に与えられ、デジタル信号Ｓ４３２に変換される。各Ａ／Ｄ変換器４３１において、入力信号Ｓ４２７をデジタル値に変換するためのサンプリングタイミングは、サンプリングクロックＳ４３５により制御される。サンプリングクロックＳ４３５は、サンプリングクロック生成部４３３から与えられ、その周期は、受信インパルス列のパルス繰返し周期と等しい。すなわち、インパルス列のパルスと同期したタイミングで、サンプリングを行う。【００４５】
しかしながら、送信装置と受信装置は空間を隔てて別個に存在し、それぞれ同期を取っているわけではない。そのため、受信インパルス列とサンプリングクロックの位相は一致しない。従って、受信インパルス列とサンプリングクロックの位相を一致させる、同期捕捉という動作が必要となる。【００４６】
ここで、同期をとるべきクロック信号に２種類あることを説明する。一つ目は、図４のＲＦフロントエンド部ＲＦＦ４２０で用いられる４ＧＨｚ周波数のクロック信号であり、二つ目は、Ａ／Ｄ変換部４３０で用いられる、インパルス列が約３０ｎｓ間隔で送られることに対応した約３２ＭＨｚ周波数のクロック信号である。【００４７】
４ＧＨｚ信号成分は、ＲＦフロントエンド部ＲＦＦ４２０において受信された信号をＩ成分とＱ成分に分割し、ベースバンド部ＢＢＭで信号を復元しているが、この方法により位相差に関して同期をとらなくても対応可能となっている。【００４８】
一方で、約３２ＭＨｚ間隔のインパルス列については、以下に説明する同期捕捉や同期追跡を行なう必要がある。【００４９】
図５に、ベースバンド部４４０のブロック図を示す。ベースバンド部４４０は、マッチトフィルタ部（ＭＦＭ）５１０、同期捕捉部（ＴＲＰＭ）５２０、データ保持タイミング制御部（ＤＬＴＣＴＬ）５３０、データ保持部（ＤＬＭ）５４０、復調部（ＤＥＭＭ）５５０、同期追跡部（ＴＲＣＫＭ）５６０、サンプリングタイミング制御部（ＳＴＣＴＬ）５７０、時間差計測部（ＴＤＭＭ）５８０から構成される。【００５０】
Ａ／Ｄ変換部４３０から与えられる複数のデジタル化されたＩ、Ｑ信号Ｓ４３２ｉａ〜ｃとＳ４３２ｑａ〜ｃは、マッチトフィルタ部５１０において期待される拡散符号とのマッチング（整合）度合いを検出し、測定結果を信号Ｓ５１１として出力する。【００５１】
同期捕捉部５２０は、信号Ｓ５１１ｉａおよびＳ５１１ｑａを用いて受信信号（インパルス列）の同期捕捉を行なう。同期捕捉が確立されていない間は信号Ｓ５２２をサンプリングタイミング制御部５７０へ出力し、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２を用いてＡ／Ｄ変換部４３０が受信信号をデジタル変換するタイミングを変えていく。同期捕捉が確立すると、同期タイミングの情報が信号Ｓ５２１を経てデータ保持タイミング制御部５３０に伝えられる。【００５２】
データ保持タイミング制御部５３０は、受信信号Ｓ５１１と同期の取れたタイミングで制御信号Ｓ５３１をデータ保持部５４０に与え、データ保持部５４０はそのタイミングに合ったデータだけを信号Ｓ５４１として復調部５５０および同期追跡部５６０に伝える。復調部５５０ではデータ保持部５４０によって選ばれた信号Ｓ５４１をもとにデータを復調し、デジタルデータＳ４４３を出力する。【００５３】
また、同期追跡部５６０では、データ保持部５４０によって選ばれた信号Ｓ５４１をもとに、受信信号Ｓ４２７との同期ずれがおきていないかを検出し、同期ずれが起きている場合にはサンプリングタイミング制御部５７０を介してサンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２によりＡ／Ｄ変換部４３０のデジタル変換タイミングを調整する。【００５４】
サンプリングタイミング制御部５７０では、同期捕捉部５２０および同期追跡部５６０からの信号をもとに、Ａ／Ｄ変換部４３０のデジタル変換タイミングを調整する。同期捕捉部５２０から信号Ｓ５２２が出力された場合、サンプリングタイミング制御部５７０を介してサンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１が出力され、デジタル変換タイミングを通常よりも微小時間、例えば０．５ｎｓ程度、遅らせる。すなわち、通常のデジタル変換の周期（Tckとする）はインパルス間隔と等しいが、当該信号Ｓ４４１が出力された場合は、デジタル変換の間隔がTck+Tsとなる。ただし、Tsは当該信号Ｓ４４１が出力された場合のデジタル変換のタイミングシフト時間である。【００５５】
また、デジタル変換のタイミングは、同期追跡部５６０の出力信号Ｓ５６１に応じて調整される。Ａ／Ｄ変換部４３０に入力されるアナログ信号Ｓ４２７に対してデジタル変換タイミングが進んでいる場合、同期追跡部５２０が検知し、サンプリングタイミング制御部に伝えられ、制御信号Ｓ４４１が出力されて、デジタル変換タイミングを通常よりもTs遅らせる。逆にアナログ信号Ｓ４２７に対してデジタル変換タイミングが遅れている場合、制御信号Ｓ４４２が出力されて、デジタル変換タイミングを通常よりもTs進ませる。【００５６】
すなわち、サンプリングタイミング制御部５７０から制御信号Ｓ４４１が出力された場合、サンプリングクロックＳ４３５の周期は１周期だけTck+Tsとなり、制御信号Ｓ４４２が出力された場合、Ｓ４３５の周期は１周期だけTck-Tsとなる。このようにサンプリングクロックＳ４３５の周期を制御することで、同期捕捉、同期追跡が可能となる。【００５７】
パルス信号を受信するＵＷＢ−ＩＲ通信の受信装置の基本動作は、次のとおりである。すなわち、パルス信号をアンテナ４１０で受け取り、ＲＦフロントエンド部４２０で必要な周波数の整形された波形を抽出し、Ａ／Ｄ変換部４３０でデジタル信号に変換し、ベースバンド部４４０でデジタル信号処理を行なうことで通信データＳ４４３を取り出して出力する。【００５８】
本実施例のＵＷＢ−ＩＲ受信装置におけるベースバンド部４４０には、測位用に、時間差計測部５８０が追加されている。本時間差計測部５８０は高精度な計測を低消費電力で実現するものであり、受信装置に元々備えている機能と比較的低速のカウンタを使用して高精度な時間差計測を行う。【００５９】
この時間差計測を行う時間差計測部の具体的な構成例を図６に示す。時間差計測部５８０は、カウンタ（ＣＮＴ）６１０、レジスタ（ＲＥＧ）６２０、遅延部（Ｄ）６３０、時間差計算部（ＴＤＣＡＬ）６４０から構成される。なお、時間差計測部５８０の詳細については、後で説明する。【００６０】
この実施例の測位システムの仕組みを、ノード１００ａの位置測定を行う場合の例を用いて、図７ないし図８を参照しながら、より詳細に説明する。【００６１】
まず、図７により、本発明に係る測位システムの原理を説明する。図７において、Ｔｘは送信、Ｒｘは受信を示す。ノード１００ａが送信した測位信号Ｓ１０１は、時間TNR後に基準局１１０に受信され、TNA,a後に基地局１２０ａに受信される。基準局１１０は、測位信号Ｓ１０１を受信してからTRP後に、基準信号Ｓ１１１を送信する。基準信号Ｓ１１１は、送信されてからTRA,a後に、基地局１２０ａに受信される。【００６２】
基地局１２０ａは、測位信号Ｓ１０１を受信してから基準信号Ｓ１１１を受信するまでの時間Tmeas,aを計測する。この時、以下の式が成立する。
TNR+TRP+TRA,a=TNA,a+Tmeas,a……（１ａ）
また、測位信号Ｓ１０１および基準信号Ｓ１１１は、基地局１２０ｂ，１２０ｃにも受信され、
TNR+TRP+TRA,b=TNA,b+Tmeas,b……（１ｂ）
TNR+TRP+TRA,c=TNA,c+Tmeas,c……（１ｃ）
が成立する。ここで、
TNR：ノード１００ａが測位信号Ｓ１０１を送信してから、基準局１１０が測位信号Ｓ１０１を受信するまでの時間
TRP：基準局１１０が測位信号Ｓ１０１を受信してから、基準信号Ｓ１１１を送信するまでの時間
TRA,a，TRA,b，TRA,c：基準局１１０が基準信号Ｓ１１１を送信してから、基地局１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが基準信号Ｓ１１１を受信するまでの時間
TNA,a，TNA,b，TNA,c：ノード１００ａが測位信号Ｓ１０１を送信してから、基地局１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが測位信号Ｓ１０１を受信するまでの時間
Tmeas,a，Tmeas,b，Tmeas,c：基地局１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが、測位信号Ｓ１０１を受信してから、基準信号Ｓ１１１を受信するまでの時間である。【００６３】
式（１ａ）および式（１ｂ）から以下の式が導かれる。
TNA,a-TNA,b=(TRA,a-TRA,b)-(Tmeas,a-Tmeas,b)……（２）
ここで、TRA,a，TRA,bはそれぞれ基準局１１０と基地局１２０ａ，１２０ｂとの間の距離を光速で除した値に等しい。また、Tmeas,a，Tmeas,bは基地局１２０ａ，１２０ｂがそれぞれ計測した値であるため、式（２）の右辺は既知の値となる。【００６４】
従って、測位信号Ｓ１０１が基地局１２０ａ，１２０ｂに到達した時間差TNA,a-TNA,bを算出することができる。同様にして、３基の基地局１２０への到達時間差ＴＤＯＡを知ることができ、ノード１００ａの位置測定が可能となる。なお、本説明では、基地局の数を３基としているが、これに限るものではない。【００６５】
図８は、ノード１００から送信される測位信号Ｓ１０１および基準局１１０から送信される基準信号Ｓ１１１の構成例を示す。当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１は、プリアンブル３１０、フレーム開始部（StartFrameDelimiter、以下「ＳＦＤ」と略称する）３２０、ヘッダ３３０、データ３４０から構成される。ヘッダ内やデータ内には誤り検出用のＣＲＣ符号等が含まれていてもよい。【００６６】
プリアンブル３１０は、当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１を受信した装置において同期の捕捉に使用される。ＳＦＤ３２０は、プリアンブル３１０の終了およびヘッダ３３０の始まりを示す特定のビットパターンである。ヘッダ３３０には、当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１の送信元の識別子などの情報等が格納される。データ３４０には当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１の送信元からの情報が格納される。【００６７】
データ３４０には当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１の送信元において信号に付与されたシーケンス番号などの情報が格納される。また基準信号Ｓ１１１のデータ３４０にはその基準信号発信の契機となったノード１００からの測位信号Ｓ１０１の識別子やシーケンス番号に関する情報が格納される。【００６８】
当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１を通信用の信号とすることで、通信と同時に測位を行うことが可能となる。また、ノード１００、基準局１１０において測位用の特別な信号を生成する必要がなくなり、装置が簡易化される。【００６９】
当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１の送信時刻あるいは受信時刻は、ある特定の部分を送信あるいは受信した時刻と定める。例えば、当該信号Ｓ１０１，Ｓ１１１のＳＦＤ３２０を送信し終えた時刻を送信時刻と定め、受信し終えた時刻を受信時刻と定める。【００７０】
本測位システムにおいて、測定されるノード１００の位置精度は、到達時間差ＴＤＯＡの精度、すなわち、基地局１２０で計測する時間Tmeasの精度に依存する。さらに、複数基地局１２０a、１２０b、１２０c間の計測時間誤差に依存する。例えば、３０ｃｍの位置精度を得るには、約１ｎｓの時間精度が必要となる。精度１ｎｓで時間差を計測する場合、通常、１ＧＨｚの発振器と１ＧＨｚで動作するカウンタを用いる。しかし、このような高速な発振器、カウンタを使用すると消費電力、回路規模が増大してしまう。【００７１】
本実施形態では、比較的低速の発振器と低速のカウンタを使用して、高精度な時間差計測を行い、消費電力、回路規模を低減する。【００７２】
以下、その詳細を図９から図１１を用いて説明する。まず、図９を用いて、同期捕捉の方法を説明する。Ａ／Ｄ変換部４３０に入力されるインパルス列Ｓ４２７と、サンプリングクロックＳ４３５の位相が一致していない場合、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号Ｓ４３２は、ノイズレベルの値となる。インパルス列Ｓ４２７とサンプリングクロックＳ４３５の位相が一致している場合、パルスをサンプリングした出力がデジタル信号Ｓ４３２に出力される。【００７３】
デジタル信号Ｓ４３２はベースバンド部４４０に入力され、当該信号Ｓ４３２のレベルから位相の一致／不一致の判定を行う。位相が一致していない場合、シフト信号（タイミングシフト時間＝Ｔs）を生成して位相の調整を行う。【００７４】
すなわち、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１を出力し、サンプリングクロックＳ４３５の周期を一定時間（Ts）長くあるいは短くシフトすることで、サンプリングタイミングをシフトさせる。この処理を、インパルス列Ｓ４２７とサンプリングクロックＳ４３５の位相が一致するまで繰返す。このように、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１により、サンプリングクロックＳ４３５の位相をずらすことで、インパルス列Ｓ４２７との同期捕捉を行う。【００７５】
Ａ／Ｄ変換部４３０のＡ／Ｄ変換器４３１ｉａ、４３１ｉｂ、４３１ｉｃには、例えば、それぞれ０．５ｎｓの遅延差を持つサンプリングクロックが与えられる。すなわち、ガウシアンインパルス信号が２ｎｓの幅を持つ場合に、このインパルス信号を０．５ｎｓずつ異なる位置でデジタル値に変換し、出力する。これらの、異なる位置でデジタル値に変換された値は、同期追跡に用いられる。【００７６】
一度同期捕捉が確立した後でも、送信装置と受信装置のクロックに周波数偏差が存在する場合、次第に同期ずれが生じる。ＵＷＢ−ＩＲ方式では、間隔の短い２ｎｓ程度のインパルスに対して同期を行なう必要がある。送信装置および受信装置のクロック発生に用いられる水晶発振子の周波数精度が高ければ同期追跡は不要であるが、精度の高い水晶発振子は高額になる。低コスト化を目指すためには、精度の悪い水晶発振子を用いても受信できるシステムでなければならない。そのために、同期追跡という動作が必要となる。【００７７】
この同期追跡について、図１０ないし図１１で説明する。図１０に同期追跡の概念図を示し、図１１は、時間差計測の原理を示す。まず、図１０において、パルスのピークをサンプリングしている状態８３０から、周波数偏差のため、状態８１０，８２０に示すように、パルスのピークとサンプリングタイミングにずれが生じる。【００７８】
ベースバンド部４４０では、Ａ／Ｄ変換された３点のデジタル信号Ｓ４３２を用いてこのずれを検出し、制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２を通じてサンプリングクロックＳ４３５の周期を調整する。すなわち、状態８１０に示すように、サンプリングクロックＳ４３５がインパルスに対して進んでいる場合、シフト信号によりサンプリングクロックＳ４３５の周期を一定時間（Ts）長くする。また、状態８２０に示すように、サンプリングクロックＳ４３５がインパルスに対して遅れている場合、シフト信号によりサンプリングクロックＳ４３５の周期を一定時間（Ts）短くする。【００７９】
サンプリングクロック生成部４３３は、上述のように、ベースバンド部４４０から与えられるサンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２に応じて、Ａ／Ｄ変換器４３１のサンプリングタイミングを決定するサンプリングクロックＳ４３５ｉａ〜ｃ、Ｓ４３５ｑａ〜ｃを生成する。【００８０】
ベースバンド部４４０は、デジタル値に変換された受信信号Ｓ４３２を用いて同期捕捉、同期確認、信号復調、同期追跡、時間差計測といった信号処理、およびＡ／Ｄ変換部４３０のサンプリングタイミング制御を行なう。復調されたデータＳ４４３および測位データＳ４４４はベースバンド部から出力されて上位レイヤに伝えられ、上位レイヤでデータ処理が行なわれる。【００８１】
次に、時間差計測の原理を、図１１を参照しながら説明する。図１１は、連続した2つの信号受信時の、基地局１２０の受信装置のタイミングチャートである。1つめの信号との同期捕捉が確立されていない間は、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１により、サンプリングクロックＳ４３５の周期を変え、同期の捕捉を行う。1つめの信号を受信し、同期捕捉が確立されると、復調および同期追跡を開始する。【００８２】
送信装置と受信装置のクロックに周波数偏差が存在するため、一度同期が確立した後でも、次第に同期ずれが生じる。同期追跡部５６０でそのずれを検知し、制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２を介してサンプリングクロックＳ４３５の周期を調整する。【００８３】
受信装置は、1つめの信号のデータ３４０を受信し終えると、同期捕捉を行う。2つめの信号の同期捕捉が確立された後、復調・同期追跡を行う。【００８４】
基地局１２０は、それぞれの信号のペイロード長と、1つめの信号受信完了から、2つめの信号を受信するまでの時間Tmeasを計測する。ここでは、ペイロード長をヘッダ３３０とデータ３４０をあわせた長さ、また信号の受信間隔を、1つめの信号のデータ３４０受信完了から２つめの信号のＳＦＤ３２０を検出するまでの時間とする。【００８５】
サンプリングクロックＳ４３５の周期は、通常はTckであり、制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２が出力された場合はそれぞれTck+Ts，Tck-Tsとなる。これを利用すると、計測する間隔Tmeasは以下の式で与えられる。
Tmeas=Tck・Nck+Ts・(Np-Nm)……（３）
ただし、
Tck：通常のサンプリングクロック周期
Ts：タイミングシフト時間
Nck：パルスサンプリング用クロックのカウント数
Np，Nm：+Ts，-Tsのサンプリングタイミング制御信号のカウント数
である。【００８６】
すなわち、TmeasおよびＲは、サンプリングクロックＳ４３５およびその制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２の数をカウントすることで算出される。【００８７】
この受信時間差の算出は、時間差計測部（ＴＤＭＭ）５８０(図６参照)でなされる。次に、この時間差計測部５８０の動作を説明する。時間差計測部５８０には、サンプリングクロックＳ４３５Ｄ、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２、および指定パターン検出信号Ｓ５５１が入力される。クロックＳ４３５Ｄ、および制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２がそれぞれカウンタ６１０ａ〜ｃに入力され、そのカウント値を信号Ｓ６１１ａ〜ｃとして出力する。【００８８】
指定パターン検出信号Ｓ５５１は、ＳＦＤ３２０もしくはデータ３４０の終了が検出されたタイミングで復調部５５０から出力される。カウント値Ｓ６１１ａ〜ｃは、指定パターン検出タイミングでレジスタ６２０ａ〜ｃに記憶される。また、指定パターン検出信号Ｓ５５１は、遅延部６３０にて遅延され、カウンタ６１０のカウント値をリセットする。【００８９】
図１１では１つめの信号のデータ３４０終了から２つめの信号のＳＦＤ検出終了までの信号検出間隔測定の場合を示しているが、ＳＦＤ終了からデータ終了までのペイロード長の測定も同様の動作で行われる。【００９０】
時間差計算部６４０では、レジスタ６２０に記憶された値を用い、式（３）に従って時間差Tmeasを計算する。当該時間差Tmeasは、信号Ｓ４４４ａとして上位レイヤに出力される。上位レイヤでは、復調されたデータＳ４４３からノード１００のＩＤなどを識別し、必要な情報と該時間差Tmeasを測位サーバに送信する。【００９１】
該時間差Tmeasの計算は、時間差計測部５８０でなく、上位レイヤ、測位サーバなどで行ってもよい。【００９２】
基地局での測定項目を図１３に示す。各基地局は到来する測位信号受信後のｎ番目の基準信号のパケットに対して、ペイロード長Pn、パケット終了から次の（n+1番目の）信号のSFDまでの間隔In,n+1の測定を繰り返す。【００９３】
例えば、図１２のように連続する3つの信号を受信した場合、最初の信号のペイロード長P0、そのパケット終了から次の信号のSFDまでの間隔I01、次の信号のペイロード長P1、そのパケット終了から次の信号のSFDまでの間隔I12、３つめの信号のペイロード長P2を測定する。【００９４】
図１３は、基地局間での受信時刻差の算出に使用する、測位信号と基準信号の受信時刻差TAMの算出方法を示した図である。【００９５】
基地局１２０からはペイロード長や信号受信完了から次の信号受信までの間隔に関する情報が測位情報Ｓ１５０としてサーバ１３０に送られてくる。サーバではそれらの測位情報を用いて、各基地局における測位信号受信から任意の基準局の基準信号受信までの間隔を算出する。【００９６】
例えばサーバは基地局Ａからの連続する測位情報の内容より、図13では測位信号受信からと基準局1からの基準信号受信までの間隔TA1は、それぞれの信号の受信時刻をＳＦＤ検出時刻と定めるならば TA1= P0 + I01となる。また測位信号受信からと基準局2からの基準信号受信までの間隔は、TA2 = P0+ I01+ P1 + I12となる。これらの情報を用いれば図6に示す手順により連続していないパケットの間隔も算出することができる。【００９７】
次に各基地局からの測位情報に対する周波数補正について説明する。各基地局１２０はそれぞれ独立したクロックで動作しているため、基地局１２０が計測した該受信時間差Tmeasは、クロックの周波数精度に起因する誤差を含んでいる。【００９８】
測位サーバでは、複数の基地局１２０で計測されたTmeasを用いて、式（２）に従いノード１００の位置を算出する。クロックの誤差を考慮した場合、式（２）の右辺第２項は
Tmeas,a  - Tmeas,b=Treal,a・(1+δa) - Treal,b・(1+δb)
=Treal,a - Treal,b+(Treal,a・δa - Treal,b・δb)……（４）
となり、誤差(Treal,a・δa - Treal,b・δb)が生じる。ここで、
Treal,a，Treal,b：基地局１２０ａ，１２０ｂがそれぞれ計測すべき実際の時間
δa，δb：基地局１２０ａ，１２０ｂのクロックの偏差
である。誤差(Treal,a・δa - Treal,b・δb)は、
Treal,a・δa  -  Treal,b・δb=(Treal,a-Treal,b)・δa+Treal,b・(δa-δb)……（５）
と変形される。【００９９】
(Treal,a-Treal,b)は、ノード１００と基地局１２０との距離および基準局１１０と基地局１２０との距離に依存し、例えば、３０ｍ程度の信号伝達距離を考えると、その値は高々１００ｎｓ程度となる。これに対し、Treal,bは基準局１１０での信号処理時間、測位信号Ｓ１０１のデータ長、基準信号Ｓ１１１のプリアンブル長などに依存し、例えば、伝送速度が２５０ｋｂｐｓでプリアンブル長が２０バイトとした場合、その値は少なくとも０．６ｍｓ以上となる。この場合、例えば基地局間のクロックの偏差(δa-δb)が２０ｐｐｍとすると、約１３ｎｓの時間誤差が生じる。これは距離に直すと約４ｍの誤差となる。【０１００】
従って、式（５）で表される誤差のうち、支配的となるのは第２項である。言い換えると、主な誤差要因となるのは、クロックの絶対的な偏差（実際の時間との偏差）ではなく、基地局間のクロックの相対的な偏差である。従って、基地局間のクロックの相対的な偏差を低減すれば、誤差が低減される。【０１０１】
クロックの相対的な偏差は、基地局間に共通の基準クロックを定めて、各基地局のクロックに対して基準クロックとの差異を測定することで補正することができる。本実施例での測位は全てノードからの測位信号が契機となるため、測位に関係する基地局は全てこの測位信号を受信している。そのため、この測位信号のクロックと各基地局のクロックとの差異を測定することで、この測位信号を生成したノードの動作クロックを測位に使用する全て基地局に共通の基準クロックとすることができる。【０１０２】
そこで本実施例では、各基地局において測定した測位信号のペイロード長の情報を用いて各基地局とノードとの相対的周波数偏差を算出し、ノードのクロックを基準とした周波数補正を行うことで正確な測位を実現する。【０１０３】
測位信号のペイロード長をP0、Ｍ−１番目の基準信号パケット終了からＭ番目の基準信号のＳＦＤまでの間隔をIM 、M番目の基準信号のペイロード長をPMとする。このとき基地局Ａでの測位信号からＭ番目の基準信号までの間隔TAMは以下の式（６）で表される。なおＩ１は基準信号のパケット終了から１番目の基準信号のＳＦＤまでの間隔となる。【０１０４】
【数１】
2011013220.tif 000003
【０１０５】
しかし実際にはPMやＩＭ等の情報は基地局Ａの時間差計測部の測定結果に基づいているので、その測定値は基地局Aの動作クロック偏差による誤差を含む。このため基地局Ａと基地局Ｂの２つの基地局間で測位信号と基準局１からの基準信号の受信時刻を比較する場合、２つの基地局の測定結果に対して共通の基準クロックにあわせる補正が必要となる。本発明では共通の基準クロックとしてノードのクロックを用い、それぞれの基地局のクロックとノードのクロックとの相対偏差に基づいた補正を行った後に受信時刻の比較を行うことで正確な測位を実現する。【０１０６】
ノードと基地局のクロック偏差は測位信号のペイロード受信時の制御信号発生回数のカウントにより求める。具体的な周波数偏差算出手順を以下に示す。【０１０７】
図１4は、測位信号Ｓ１０１のペイロード受信時における、基地局１２０ａのＡ／Ｄ変換部４３０のタイミングチャートである。測位信号Ｓ１０１との同期が確立した後の状態を示している。この状態では、Ａ／Ｄ変換部４３０に入力されるアナログ信号Ｓ４３２とサンプリングクロックＳ４３５が同期している。言い換えると、サンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２により、サンプリングクロックＳ４３５の周期を、該アナログ信号Ｓ４３２と同期するように制御している。【０１０８】
また、測位信号Ｓ１０１はノード１００により生成されるため、該アナログ信号Ｓ４３２は、ノード１００のクロックの周波数偏差を反映する。従って、制御信号Ｓ４４１が出力される周期は、基地局１２０ａのクロックとノード１００のクロックとの偏差に対応する。その偏差Rは、
R=δa-δr=Ts・(Np-Nm)/Tck・Nck……（７）
と表される。ここで、δrはノード１００のクロックの偏差である。【０１０９】
すなわち、ノードと基地局の周波数偏差 R = (δa-δr)は、サンプリングクロックＳ４３５およびサンプリングタイミング制御信号Ｓ４４１，Ｓ４４２をカウントすることで算出される。【０１１０】
このため、測定結果をノードのクロックに同期させるように補正して得られた測位信号からＭ番目の基準信号までの間隔TＭは以下の式（８）で表される。【０１１１】
【数２】
2011013220.tif 000004
【０１１２】
このＴＭを図7のように比較することで正確な測位信号受信時刻差が求められる。このように、基地局は全ての受信信号に対して連続して受信する２の信号の間隔を測定することにより、測位サーバは各基地局での測位信号と全ての基準信号との受信時刻差を求めることができ、広範囲での測位システムを実現可能にする。さらには、各基地局とノードとの相対的周波数偏差を算出し、ノードのクロックを基準とした周波数補正を行うことで正確な測位を実現することができる。【０１１３】
図１5に測位サーバ１３０での位置計算処理の流れを示す。【０１１４】
測位サーバ１３０は各基地局１２０から時間差Tmeasに関する情報を含む測位情報Ｓ１５０を受け取り、関連する全基地局１２０からの情報が集まるまで一定期間サーバ内のデータベース１３３に蓄積する(Ｓ０１)。データの蓄積期間については、例えばノードの信号送信周期が1秒のシステムであれば、サーバでの蓄積期間も1秒とする。一定期間経過後、測位サーバ１３０はデータベース１３３内からノード１００のIDと測位信号Ｓ１０１内に記された測位信号のシーケンス番号が一致するものを全て抽出する。【０１１５】
次に、2つの基地局(１２０ａ,１２０ｂ)間でのノード１００からの信号受信時刻の差を求める。まず抽出された測位信号群から2つの基地局(１２０ａ,１２０ｂ)を選択し、それらの基地局から送られてきた測位情報Ｓ１５０を全て抽出する(Ｓ０２)。最終的には全ての基地局の組み合わせ方を検討するので、ここでの2つの基地局の選び方は、まだ処理をしていない組み合わせならばどのような方法でも良い。【０１１６】
取り出された2つの基地局からの測位情報Ｓ１５０について、まず共通する基準信号Ｓ１１１を受信しているかを確認する（Ｓ０３）。共通する基準信号Ｓ１１１があれば、まずは測位信号受信から共通する基準信号受信までの信号受信間隔をそれぞれ算出し、その後クロック補正を行う（Ｓ０４）。測位信号の直後に受信した基準信号が共通していなければ、２つの基地局が次の測位信号を受信するまでの間に受信した基準信号のＩＤを蓄積されたデータ内で確認し、その中に共通の基準信号が無いかを調べる。もし共通の基準信号があれば、選択された２の基地局において測位信号を受信してから共通の基準信号を送信した基準局の基準信号を受信するまでの間隔を求め、その受信時刻差に対して、ノードと基地局のクロック偏差に基づいたクロック補正を行う（Ｓ０４）。ノードと基地局のクロック偏差に基づくクロック補正は、測位情報に基づいて、上述の式（７）により求められる。【０１１７】
共通の基準信号が無ければ受信時刻の差を求める処理を終了し、次の基地局の組み合わせを検討する。【０１１８】
クロック補正が完了した測位信号と基準信号の受信時刻差と、当該基準信号を送信した基準局の位置情報及び選択された２の基地局の位置情報を用いて、選択された２の基地局における測位信号の受信時刻差を算出する（Ｓ０５）。上記の処理を関連する基地局全ての組み合わせについて行い（Ｓ０６）、測位に必要な情報数が得られていれば（Ｓ０７）、ＴＤＯＡ方式により測位計算を行う（Ｓ０８）。もし情報数が足りなければ測位計算を行わず（Ｓ０９）、次の処理に向かう。なお、測位計算に必要な情報数とは、2次元測位の場合、測位信号受信時刻の比較が２つ、3次元測位の場合は３つとなる。【０１１９】
本発明は広範囲をカバーする無線測位システムを簡易に設置することができる。例えばスーパーマーケットなどの商業施設に於いて、売り場レイアウトを変更するときに顧客の動線を測定したいと希望したときも、本発明ならば全ての機器を無線接続することができるため、売り場での大がかりな工事など不要ですぐに測位システムを構築することができる。またレイアウト変更の効果が確かめられたら測位システムを撤去し、次に必要となる現場に使用することもできる。【０１２０】
また、工場などに於いて工員の動線を測定することにより、ベテラン作業員と新人作業員との動線を比較することができ、作業の効率化を目に見える形で指導する、あるいはノウハウを数値データとして保存することができるようになる。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明は、無線送信機能を持つノード（端末）の位置を測定する方法、その方法を用いた位置測定システム、及び、そのシステムにおいて無線基地局として使用される基地局（ＡＰ）に利用可能である。
【符号の説明】
【０１２２】
１００…ノード（ＮＯＤ）
１１０…基準局（ＲＳ）
１２０…基地局（ＡＰ）
１３０…測位サーバ（ＰＳ）
１４０…ネットワーク（ＩＮＴ）
Ｓ１０１…測位信号
Ｓ１１１…基準信号
１０１…信号送信制御部
１０２…送信信号作成部
１０３…アンテナ
３１０…プリアンブル
３２０…フレーム開始部（ＳＦＤ）
３３０…ヘッダ
３４０…データ
４１０…アンテナ（ＡＮＴ）
４２０…ＲＦフロントエンド部（ＲＦＦ）
４３０…Ａ/Ｄ変換部（ＡＤＭ）
４４０…ベースバンド部（ＢＢＭ）
Ｓ４４３…受信データ
Ｓ４４４…測位データ
４２１…ローノイズアンプ（ＬＮＡ）
４２２…ミキサ（ＭＩＸ）
４２３…π/２位相シフタ（ＱＰＳ）
４２４…クロック発生器（ＣＬＫ）
４２５…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
４２６…可変ゲインアンプ（ＶＧＡ）
４３１…Ａ/Ｄ変換器（ＡＤＣ）
４３３…サンプリングクロック生成部（ＳＣＧ）
Ｓ４３５…サンプリングクロック
５１０…マッチトフィルタ部（ＭＦＭ）
５２０…同期捕捉部（ＴＲＰＭ）
５３０…データ保持タイミング制御部（ＤＬＴＣＴＬ）
５４０…データ保持部（ＤＬＭ）
５５０…復調部（ＤＥＭＭ）
５６０…同期追跡部（ＴＲＣＫＭ）
５７０…サンプリングタイミング制御部（ＳＴＣＴＬ）
５８０…時間差計測部（ＴＤＭＭ）
Ｓ５５１…指定パターン検出信号
Ｓ４４４ａ…測定時間差Ｔｍｅａｓ
６１０…カウンタ（ＣＮＴ）
６２０…レジスタ（ＲＥＧ）
６３０…遅延部（Ｄ）
６４０…時間差計算部（ＴＤＣＡＬ）
８１０…サンプリングクロックがパルスのピークよりも進んでいる状態
８２０…サンプリングクロックがパルスのピークよりも遅れている状態
８３０…サンプリングクロックがパルスのピークと一致している状態
Ｓ１５０…測位情報
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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